新型snapback-free逆导IGBT结构与设计

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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种利用MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)驱动BJT(Bipolar Junction Transistor)实现导通的复合型器件,兼具MOSFET和BJT的优点,自问世以来得到了广泛的研究与应用。但由于IGBT不具备反向导通的能力,在实际应用中通常需要与续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)反并联使用。最初是直接将IGBT与FWD通过引线焊接到一起使用,但这种方法不可避免地引入了寄生电感且成本较高。为了解决上述问题,工程师们将IGBT和反并联FWD集成在同一块芯片上,提出了逆导型IGBT(Reverse-Conducting IGBT,RC-IGBT)。然而,由于常规RC-IGBT(Conventional RC-IGBT,Con-RC-IGBT)的固有结构,器件正向导通的过程中会产生电压回跳(snapback)现象,这限制了Con-RC-IGBT的应用。因此,本文利用Sentaurus TCAD仿真软件,围绕消除Con-RC-IGBT中的电压回跳现象展开研究。为了抑制Con-RC-IGBT的电压回跳现象,本文依次提出两种新结构。首先,提出了一种具有三明治集电极结构的RC-IGBT(Sandwitch RC-IGBT,San-RC-IGBT),通过在N+/P+集电区与场截止层之间引入高阻N-layer增大了集电极短路电阻,极大地改善了器件的电压回跳现象。但与Con-RC-IGBT相比,器件的击穿电压降低且反向恢复特性变得更差。为了改善San-RC-IGBT的动态特性,在San-RC-IGBT中集电极侧引入半超结,提出了一种具有三明治集电极结构的半超结RC-IGBT(Sandwitch Semi-SuperJunction RC-IGBT,SSS-RC-IGBT)。仿真结果表明:SSS-RC-IGBT中不会发生电压回跳现象;半超结的引入改善了正向阻断模式下耗尽区内的电场分布,弥补了引入高阻N-layer而导致的击穿电压的降低;与Con-RC-IGBT相比,SSS-RC-IGBT的关断损耗降低了30.6%,反向恢复过程中的损耗降低了21.2%。同时,SSS-RC-IGBT具有更优的导通压降与关断损耗的折中关系。针对器件正、反向导通时间不对称的应用,本文提出一种雪崩型RC-IGBT(Avalanche RC-IGBT,A-RC-IGBT),利用背面P++集电区与N++区(场截止层)构成的PN结的雪崩击穿实现逆导。由于无需引入N+集电区作为集成二极管的阴极,器件不会发生电压回跳现象;同时避免了背面光刻工艺,制造工艺简单、成本更低。虽然器件的反向导通压降比Con-RC-IGBT大,但在例如感应加热中使用的单端准谐振电路等正、反向导通时间不对称的应用中具有一定实用价值。
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